Design and computational evaluation of an eye gaze wheelchair retrofit with temporal command supervision

بالنسبة لملايين الأشخاص الذين يعيشون مع إعاقات جسدية شديدة، يمكن أن يكون الفعل البسيط المتمثل في الانتقال من غرفة إلى أخرى تحدياً هائلاً. وبينما توفر الكراسي المتحركة التي تعمل بالطاقة مساراً للاستقلال، إلا أنها تعتمد على واجهة تحكم يجب أن يكون المستخدم قادراً على تشغيلها، وعادة ما تكون عصا تحكم (joystick) تتطلب قوة ومهارة في اليد. وعندما لا تستطيع الأيدي العمل، تظل العين مورداً قوياً وغير مستغل. فالعين البشرية دقيقة بطبيعتها، وقادرة على التركيز على الأشياء بسرعة ملحوظة، وبالنسبة لأولئك الذين يمكنهم الرؤية ولكن لا يستطيعون تحريك أطرافهم، يمكن أن يصبح النظر إلى اتجاه معين بمثابة أمر للتحرك. ومع ذلك، فإن تحويل النظرة إلى حركة آمنة وموثوقة ليس ببساطة الإشارة والنقر؛ فالعيون تمسح العالم باستمرار، وتغير تركيزها لقراءة لافتة أو مراقبة شخص ما، ونظام التحكم الذي يحرك الكرسي في كل مرة تستقر فيها العين على نقطة ما سيكون فوضوياً وخطيراً. ويكمكم التحدي الجوهري للمهندسين في التمييز بين النية المتعمدة للتحرك وبين النظرة العابرة، وضمان أنه إذا انقطع الاتصال بين عقل المستخدم والآلة، يتوقف الكرسي فوراً بدلاً من الاستمرار في مسار خطير.

لقد عالج الباحثون في كلية الكويت للعلوم والتكنولوجيا هذه المشكلة من خلال بناء واختبار نظام يسمى "iMove"، وهو عبارة عن مجموعة أدوات قابلة للتركيب (retrofit kit) تسمح بالتحكم في كرسي متحرك قياسي يعمل بالطاقة بالكامل من خلال نظرة العين. قام الفريق، بقيادة حسن فیاض كازان، ببناء جهاز يوضع بين كاميرا تتبع العين التجارية وعصا التحكم الموجودة في الكرسي المتحرك. وبدلاً من أن يحرك المستخدم عصا التحكم، فإنه ينظر إلى اتجاه محدد على شاشة لوحية، وتقوم ذراع روبوتية صغيرة متصلة بالكرسي المتحرك بدفع عصا التحكم فعلياً في ذلك الاتجاه. يتضمن النظام هدف "توقف" (STOP) مركزياً وثمانية أهداف اتجاهية. عندما ينظر المستخدم إلى اتجاه ما، ينتظر النظام ليرى ما إذا كانت النظرة ثابتة بما يكفي لتكون أمراً متعمداً. وإذا استمرت النظرة لفترة كافية، تحرك الذراع الروبوتية عصا التحكم، ويبدأ الكرسي المتحرك في التدحرج. وإذا نظر المستخدم بعيداً، فقد صُمم النظام ليتوقف عن الحركة.

بدأ الباحثون باختبار نسخة أساسية من هذا النظام لمعرفة ما إذا كان بإمكانها ترجمة النظرة إلى حركة. في تجربة أولية، حاولوا اختيار اتجاه عشر مرات، ونجح النظام في تحريك عصا التحكم ثماني مرات، محققاً نسبة نجاح بلغت 80 بالمئة. ومع ذلك، كشفت هذه الاختبارات الأولية عن خلل حرج في التصميم الأساسي: كان النظام "واثقاً" أكثر من اللازم. فإذا انحرفت عينا المستخدم عن الهدف، أو إذا تجمد الكمبيوتر الذي يرسل الإشارة، فإن النظام الأساسي سيستمر في دفع عصا التحكم واستمرار حركة الكرسي. لم يكن النظام يعرف كيف يتوقف من تلقاء نفسه عندما يصبح المدخل غير صالح. وهذا سيناريو خطير، حيث إن الكرسي المتحرك الذي يستمر في الحركة بعد فقدان المستخدم للسيطرة أو التركيز قد يؤدي إلى اصطدام.

ولإصلاح ذلك، طور الفريق "مشرفاً زمنياً" (temporal supervisor)، وهو طبقة من المنطق البرمجي تعمل كحارس أمان للأوامر. يقدم هذا المشرف مجموعة من القواعد للتحقق من أن الأمر لا يزال صالحاً قبل السماح للكرسي بالتحرك. أولاً، يتطلب الأمر "زمن مكوث" (dwell time)، مما يعني أن المستخدم يجب أن ينظر إلى الهدف لمدة محددة — تم ضبطها عند 0.60 ثانية في تصميمهم — قبل أن يتحرك الكرسي. وهذا يمنع الحركات العرضية الناتجة عن نظرة سريعة. ثانياً، يتحقق النظام مما إذا كان المدخل "حديثاً"، لضمان أن الإشارة القادمة من جهاز تتبع العين هي إشارة جديدة وليست صورة مجمدة من لحظة مضت. ثالثاً، يراقب النظام الاتصال بين الجهاز اللوحي والكرسي المتحرك؛ فإذا انقطع رابط الاتصال، يقطع النظام الأمر فوراً.

لم يكتف الباحثون ببناء هذا النظام فحسب، بل قاموا بمحاكاة آلاف السيناريوهات بدقة لمعرفة كيفية سلوكه تحت الضغط. لقد أنشأوا بيئة رقمية حيث يمكنهم حقن أعطال، مثل تجميد جهاز تتبع العين، أو قطع كابل الاتصال، أو جعل الكمبيوتر يتوقف عن المعالجة. في هذه المحاكاة، فشل النظام الأساسي في كل مرة حدث فيها عطل، حيث استمر الكرسي المتحرك في الحركة طوال مدة الاختبار. وفي المقابل، استجاب نظام المشرف الجديد بسرعة. فعندما تجمد جهاز تتبع العين، أوقف المشرف الأمر في غضض 0.12 ثانية. وعندما انقطع رابط الاتصال، أوقف الأمر في غضون 0.24 ثانية. كما اختبر الفريق ما سيحدث إذا نظر المستخدم بالخطأ إلى هدف لفترة وجيزة جداً، مثل 0.12 ثانية؛ حيث كان النظام الأساسي سيقوم بتفعيل الكرسي، لكن المشرف تجاهله بشكل صحيح لأن النظرة كانت أقصر من أن تكون أمراً متعمداً.

كما تناولت الدراسة الواقع الفيزيائي للتوقف. فحتى لو أرسل البرنامج أمراً بـ "التوقف" فوراً، فإن الكرسي المتحرك لا يتوقف في مكانه؛ إذ يمتلك زخماً. وباستخدام زمن التوقف الملحوظ للكرسي المتحرك، والذي استغرق ما بين 3 إلى 4 ثوانٍ للوصه إلى السكون التام، حسب الباحثون المسافة التي سيقطعها الكرسي بعد صدور أمر التوقف. فبسرعة 0.50 متر في الثانية، سيقطع الكرسي مسافة تتراوح بين 0.78 و1.13 متراً قبل التوقف تماماً. وهذه المسافة كبيرة، مما يسلط الض الضوء على أن سرعة البرمجيات هي جزء واحد فقط من معادلة السلامة؛ فالكبح الفيزيائي للكرسي لا يقل أهمية. ووجد الفريق أنه إذا انتظر النظام لفترة طويلة جداً لإصدار أمر التوقف، فسيقطع الكرسي مسافة أبعد، مما يؤكد الحاجة إلى أوقات الاستجابة السريعة التي يوفرها مشرفهم.

وعلى الرغم من أن النتائج واعدة، إلا أن الباحثين يحرصون على الإشارة إلى أن هذا العمل هو "إثبات مفهوم" وليس منتجاً طبياً نهائياً. فقد أُجري الاختبار من قبل المطورين أنفسهم، وليس من قبل الأشخاص الذين سيستخدمون الكرسي في نهاية المطاف، وكانت نسبة النجاح البالغة 80 بالمئة مبنية على عدد قليل جداً من المحاولات. تثبت الدراسة أن المنطق يعمل في محاكاة الكمبيوتر وأن الأجهزة يمكنها فعلياً تحريك عصا التحكم، لكن هذا لا يثبت بعد أن مستخدماً حقيقياً يمكنه التنقل في بيئة معقدة بأمان. ويؤكد الفريق أن العمل المستقبلي يجب أن يتضمن الاختبار مع مستخدمين فعليين لمعرفة كيفية تفاعلهم مع النظام على فترات زمنية أطول وفي ظروف واقعية. كما يشيرون إلى أن النظام يحتاج إلى أن يكون قوياً ضد الأعطال الميكانيكية، مثل تعطل الذراع الروبوتية، وهو أمر لا يستطيع البرنامج الحالي اكتشافه.

في الختបញ្ចប់، يسلط هذا البحث الضوء على مبدأ حيوي في التكنولوجيا المساعدة: السلامة لا تتعلق فقط بجعل الجهاز يعمل، بل بجعل التأكد من توقفه عندما ينبغي له ذلك. ومن خلال الجمع بين طريقة اختيار متعمدة وطبقة سلامة ذكية تراقب الأخطاء، أنشأ الباحثون مخططاً لطريقة أكثر أماناً للتحكم في الكرسي المتحرك بالعينين. يوضح نظام "iMove" أنه مع الجمع الصحيح بين فحوصات التوقيت وكشف الأعطال، من الممكن تحويل الحركة الطبيعية والانسيابية لنظرة الإنسان إلى أمر موثوق وآمن للآلة، مما يسد الفجوة بين النية والفعل لأولئك الذين هم في أمس الحاجة إليها.